Ten przegląd ma na celu ocenę przydatności obecnych technologii przechowywania wodoru do zastosowań mobilnych. Idealne medium do przechowywania powinno charakteryzować się wysokimi gęstościami energetycznymi objętościowymi i masowymi, szybkim pobieraniem i uwalnianiem paliwa, działaniem w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym, bezpiecznym użytkowaniem oraz mieć korzystny stosunek kosztów do efektywności. Jednakże, wszystkie obecne technologie przechowywania wodoru mają znaczne wady, takie jak złożone systemy zarządzania ciepłem, odparowanie, niska wydajność, kosztowne katalizatory, problemy z trwałością, wolne reakcje, wysokie ciśnienia robocze, niskie gęstości energetyczne oraz ryzyko gwałtownych i niekontrolowanych spontanicznych reakcji. Mimo tych wyzwań, sprężone przechowywanie wodoru, obecnie wiodący standard w branży, pozostaje funkcjonalnym rozwiązaniem i stanowi możliwą opcję przechowywania dla aplikacji mobilnych.
Zakładając, że akumulator ładowany i rozładowywany jest w tempie 1 C, co odpowiada 1 godzinie, koszt określony na jednostkę mocy wyjściowej wyniósłby 250 Euro/kW. Sprężane zbiorniki na wodór i stosy ogniw paliwowych kosztują obecnie około 12 Euro/kWh i 90 Euro/kW, odpowiednio. Dlatego pojazdy wodorowe są tańszą z tych dwóch opcji.
Centre of Excellence in Transportation Electrification and Energy Storage
Wprowadzenie
Według Międzyrządowego Panelu do spraw Zmian Klimatu (IPCC) niemal na pewno nietypowo szybkie ocieplenie klimatu jest bezpośrednim wynikiem działalności człowieka. Zmiany klimatu wiążą się z istotnymi skutkami środowiskowymi związanymi z zanikaniem gatunków zwierząt, spadkiem plonów rolniczych, coraz częstszymi ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi, migracją ludzi oraz konfliktami. Aby zahamować postęp zmian klimatu, coraz większy nacisk kładzie się na redukcję emisji gazów cieplarnianych na świecie. Na przykład Francja zatwierdziła ustawę nr 2015-992, która wymaga zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych o 40% do 2030 roku w porównaniu do 1990 roku. Choć stosowanie paliw kopalnych nie jest jedynym źródłem gazów cieplarnianych, to z pewnością jest jednym z głównych. Według Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska, paliwa kopalne stanowią 76% wszystkich emisji gazów cieplarnianych wynikających z działalności człowieka w USA. Można przypuszczać, że znaczna redukcja emisji gazów cieplarnianych oznacza zmniejszenie zużycia paliw kopalnych. Jednak nie jest to proste zadanie, ponieważ produkty pochodzące z paliw kopalnych nie są tylko nośnikami energii, ale również głównym źródłem energii. Wodór jest nośnikiem energii, który powinien być produkowany w sposób przyjazny dla środowiska, aby wywierał rzeczywiście pozytywny wpływ na dekarbonizację. W 2017 roku ponad 85% energii wytworzonej globalnie pochodziło z paliw kopalnych. Dlatego gdyby świat całkowicie przeszedł na wodorową gospodarkę, eliminując zużycie wszelkich paliw kopalnych, wkrótce doszłoby do niedoboru energii. Aspekt ten stanowi istotny problem przy poszukiwaniu odpowiednich źródeł energii. Jednakże, ten temat nie będzie omawiany w tym opracowaniu. Zamiast tego, skupia się ono na wykorzystaniu wodoru jako odnawialnego nośnika energii.
Energia odnawialna teoretycznie jest ogromna. Oszacowali minimalny roczny potencjał energii słonecznej na poziomie 1575 EJ, co przewyższa roczne światowe zużycie energii o około 566 EJ. Jednakże istnieją inne kwestie związane z tymi alternatywnymi źródłami energii, takie jak wysokie koszty systemów. Na przykład, obniżki cen komponentów, takich jak panele słoneczne i generatory wiatrowe, już nie mają znaczącego wpływu na cenę energii, ponieważ ich koszt jest niewielki w porównaniu z kosztami instalacji i innych związanych z systemem kosztów. Zwykle występuje również niezgodność między zdolnością produkcyjną a popytem, co prowadzi do nadprodukcji lub niedoboru. Przechowywanie energii w postaci wodoru może być koordynowane przez produkcję i konsumpcję. Każda technika przechowywania wodoru posiada swoje własne charakterystyki, takie jak gęstość energii, szybkość kinetyki i sprawność. Dlatego trudno jest zidentyfikować pojedyncze rozwiązanie dla wszystkich potrzeb przechowywania. Należy zaznaczyć, że istnieją zróżnicowane wymagania dotyczące przechowywania wodoru, w zależności od zastosowania. Dla transportu, tankowanie musi być szybkie, a bezpieczeństwo jest kluczowe, a waga i rozmiar systemu przechowywania powinny być jak najmniejsze. Ważne jest, aby uwzględnić cały system w celu wypracowania praktycznego rozwiązania, które przemysł może zaakceptować.
Wodór dla transportu
Przed omówieniem metod przechowywania wodoru dla zastosowań mobilnych, ważne jest określenie, czy istnieje rzeczywista potrzeba takiego rozwiązania, biorąc pod uwagę obecny stan technologii akumulatorów.
W każdym etapie konwersji energii występują straty. Dla wodoru etapy te obejmują produkcję, przechowywanie i wykorzystanie. Obecna wydajność elektrolizy wody może wynosić do 86% z odzyskiem ciepła. Energia potrzebna do sprężenia wodoru do 700 bar i dostarczenia go do pojazdu może wynosić od 5% do 20% dolnej wartości opałowej wodoru. Paliwowe ogniwa protonowe (PEM) mogą osiągnąć wydajność wynoszącą około 60%. To prowadzi do łącznej wydajności, która może wynosić od 41% do 49%. Według Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), samochody elektryczne posiadają wydajność około 59–62% w przetwarzaniu energii z sieci elektrycznej na pracę mechaniczną. Dlatego wydajność pojazdów z akumulatorami może być zwiększona, ale jest ograniczone miejsce do poprawy.
Koszty akumulatorów vs. ogniw paliwowych Choć akumulatory i systemy z ogniwami paliwowymi są uzupełniające w wielu zastosowaniach, często traktuje się je jako konkurencyjne technologie. Dlatego konieczne jest ich porównanie, zwłaszcza z perspektywy ekonomicznej. Ceny różnią się w zależności od chemii akumulatora, ale sprawiedliwa szacunkowa cena dla akumulatora litowo-jonowego wynosi około 250 Euro/kWh. Zakładając, że akumulator ładowany i rozładowywany jest w tempie 1 C, co odpowiada 1 godzinie, koszt określony na jednostkę mocy wyjściowej wyniósłby 250 Euro/kW. Sprężane zbiorniki na wodór i stosy ogniw paliwowych kosztują obecnie około 12 Euro/kWh i 90 Euro/kW, odpowiednio. Dlatego pojazdy wodorowe są tańszą z tych dwóch opcji. Jeśli chodzi o tankowanie, możliwe jest, że ceny wodoru na stacji paliw wyniosą 6 Euro/kg. To byłoby równoważne z kosztem ok 0,20 Euro/kWh, co jest tańsze niż cena energii elektrycznej w wielu rozwiniętych krajach.
Pojazdy wodorowe mogą być tankowane w czasie krótszym niż 10 minut, co stanowi znaczącą zaletę, zwłaszcza dla zastosowań o wysokim stopniu wykorzystania. Waga jest również znacznie niższa, wynosząca około 550 Wh/kg w porównaniu do 150 Wh/kg dla baterii [51]. Te zalety są jednymi z głównych powodów, dla których wodór i ogniwa paliwowe są interesujące dla ciężkich pojazdów, takich jak autobusy i ciężarówki. Wiele typów baterii zawiera metale, takie jak kobalt, których wydobycie może wiązać się z zagrożeniem dla zdrowia ludzi i negatywnym wpływem na środowisko. Materiały potrzebne do PEM ogniwa paliwowego, w tym polimery i grafit, są powszechne i bezpieczne, z wyjątkiem platyny. Platyna jest doskonałym katalizatorem niskiej temperatury, którego bardzo trudno zastąpić
